(57)【要約】 【課題】   レーザを光源とした光学系で物体表面を照射し、その反射光を用いて物体表面形状を観察する際、スペックルの影響を抑制する。【解決手段】   光源駆動部２１から変調波を半導体レーザ光源２に与えて断続的に発光させ、レンズ３、ビームスプリッタ４、対物レンズ５などによる光学系を介してその焦点位置近傍に設置される物体６表面を照明する。この断続的な発光によって繰り返し照明される物体表面からの反射光束を、発生するであろうスペックルと共に対物レンズ５、ビームスプリッタ４、シリンドリカルレンズ９、視野レンズ７による光学系で受光部８に結像させる。受光部８はこの繰り返して送られてくる強弱のつけられた反射光とスペックルを、平均化した信号として表示部１０に送り出す。それによってスペックルを抑制した画像を表示する。  【選択図】    図４  
2005157185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ光源に変調波を与えてこれを断続的に発光させる光源駆動部と、この半導体レーザ光源からの断続光で生み出された光量変化のある光束で、対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を受光部上に導いて結像させる測定光学系と、前記受光部からの出力に基づいて物体表面を画像として表示する表示部とを有し、前記断続光によって照明された物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルを、平均化した信号として取りだし前記表示部に送り出して表示するようにしたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
半導体レーザ光源に変調波を与えてこれを断続的に発光させる光源駆動部と、この半導体レーザ光源からの断続光で生み出された光量変化のある光束で、対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を多分割フォトダイオードで構成した受光部上に導いて結像させる測定光学系と、前記受光部が受けた前記測定光学系からの信号を各フォトダイオード毎の出力値として受け取り、その出力値に基づいて前記対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を演算する演算部とを有し、前記受光部が受光した断続光による物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルの信号を交流結合し、ノイズ除去後の絶対値を平均化した信号として取りだし前記演算部に送り出すようにしたことを特徴とする測定装置。
【請求項３】
物体表面からの反射光束が測定光学系中に設置した絞りを通過して受光部に達するようにした事を特徴とする前記請求項１、２記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定装置に関するもので、半導体レーザを光源とした光学系で観察する物体表面を照射し、その反射光を用いて物体表面を観察測定するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを光源とする光学系で観察する物体の表面を照射し、その表面形状を観察測定する装置は各種の分野で使用されている。このような装置で問題となることの１つに光量の安定化がある。そのため一般には光源に直流を供給して発光時の立ち上がり不安定状態が経過した後の安定状態になった光束で物体を照明するようにしている。更に光量の正確さを得るため安定化回路を付加し、照明される光量を検出しながらその結果を光源駆動部にフィードバックするようにしているものがある。もう１つレーザ光源を使用することの問題として測定する物体表面の粗さ形状などによって発生するスペックル現象があげられる。
このスペックル現象は周知のように、表面形状が不規則な物体の各点から散乱される反射光が互いにランダムな位相関係で、重なり合った結果生じる干渉縞と考えられていて、その不安定な発生が測定結果を左右する因となっている。しかしレーザを光源として使用する限り、レーザ光自身が持つ光の性質や測定する物体の表面粗さ程度とその角度、測定装置に加えられる各種の振動などによって多くのスペックル現象が発生してしまう。そのためスペックル現象の発生を抑えることの出来るような工夫、或いは発生したスペックルを除去するための手段を設置することが、測定結果を向上させることになる。
このようなスペックルに対してこれまでは、観察する物体表面からの反射光を途中で加工するようにしたスペックル除去装置を新たに設置して対応するようにしているものが多い。例えば物体表面からの反射光をビデオ情報として取り出し、それをデジタル化して記憶し、そのデジタル画像の中から最大輝点となる位置を求めてその位置を、物体表面が存在する位置として認識するようにしたものがある。また物体表面からの反射光を２つに分割して取りだし、それぞれを別個の検出器で検出できるよう２つの光学系を形成し、両者を比較するようにしたものも知られている。しかしながら光源光量の安定化やスペックル対策のためには、特別な手段や光学系を別途設置しなければならず、装置全体が大型化して高価となってしまっていた。
【特許文献１】特開平７−５５４２１号公報
【特許文献２】特開平６−２１３６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は上記問題を解決した小形で安価な測定装置を提供することを目的とする。即ちレーザ光源を使用するにも係わらず、特別な手段や光学系を設置することなしに光量の問題と物体表面でのスペックルの問題を解消し、それによって物体表面形状に依存することなく安定した正確な観察測定ができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため本発明は、半導体レーザ光源に変調波を与えてこれを断続的に発光させる光源駆動部と、この半導体レーザ光源からの断続光で生み出された光量変化のある光束で、対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を受光部上に導いて結像させる測定光学系と、前記受光部からの出力に基づいて物体表面を画像として表示する表示部とを有し、前記断続光によって照明された物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルを、平均化した信号として取りだし前記表示部に送り出して表示するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは、半導体レーザ光源に変調波を与えてこれを断続的に発光させる光源駆動部と、この半導体レーザ光源からの断続光で生み出された光量変化のある光束で、対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を多分割フォトダイオードで構成した受光部上に導いて結像させる測定光学系と、前記受光部が受けた前記測定光学系からの信号を各フォトダイオード毎の出力値として受け取り、その出力値に基づいて前記対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を演算する演算部とを有し、前記受光部が受光した断続光による物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルの信号を交流結合し、ノイズ除去後の絶対値を平均化した信号として取りだし前記演算部に送り出すようにした事を特徴とする。
請求項３の発明によるものは、前記請求項１、２記載の測定装置において物体表面からの反射光束が測定光学系中に設置した絞りを通過して受光部に達するようにした事を特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は半導体レーザ光源に変調波を連続して与え、測定光学系の対物レンズ焦点位置近傍に設置される物体表面を断続光で照明するようにした事を特徴とする。物体表面がこの断続光を受けると、照明光は強制的に強弱がつけられ、それに応じて光量が変化する。この断続的に光量が変化することで受光部に向かわせた物体表面上からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルは光電変換されることによって平均化され、スペックル自身の発生が抑制されたようになる。即ち、スペックルの形状、数、発生場所などの平均化によって物体表面は安定した正確な画面表示が出来るようになる。また受光部を多分割フォトダイオードで構成し、この受光部からの信号を演算部に向かわせ対物レンズの駆動制御部に伝えるようにしたから、平均化された信号で対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を演算することになり、正確な距離の測定を行うことが出来る。更にいずれの場合でも特別な手段や光学系を新たに設置することなくスペックルを抑制できるようにしたので、全体として小形な測定装置を提供することが出来る。それも照明光に強制的な強弱をつけるための方法は高低差のある信号をわざわざ作り出して供給するということ無く、光源に変調波を与えるだけという単純なものでよいから経済的にも安価なものとする事が出来る。また、この変調波の供給は光量安定化のための手段を不要とし、物体照明時には外部光の影響をカットできるという効果をも生み出す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明に係わる測定装置について図面を参照しながら説明する。図１は一般的な従来の測定装置を光学系１を中心として示したものである。半導体レーザ光源２からの光はレンズ３によって平行光束となり、ビームスプリッタ４を経て対物レンズ５によってその焦点位置近傍に設置される物体６の観察面上を照射する。物体６表面の観察面が対物レンズ５の焦点位置近傍にあれば、観察面からのスペックルを含んだ反射光がビームスプリッタ４に向かい、そこで９０度反転して視野レンズ７で集光され受光部８に結像する。９は光路中に設置されたＸ、Ｙ方向の２つのシリンドリカルレンズである。受光部は例えばＣＣＤ８Ｃやフォトダイオード８Ｐなどで構成され、ＣＣＤ８Ｃの場合、その出力は表示部１０に送られて物体表面の像として表示される。また受光部を４分割フォトダイオード８Ｐに切り替えれば、その各ダイオードからの出力は演算部１１に送られ各出力値が比較される。その結果が駆動制御部１２に伝えられ対物レンズ５を光軸方向に移動させる。
【０００７】
図２は受光部８Ｐとこの受光部８Ｐからの信号を受けて演算する演算部１１の関係を示した説明図である。図１において測定光学系１内の対物レンズ５焦点位置近傍に物体６表面が位置していて、スペックルが一切発生しない状態にあると仮定したとき、物体６表面からの反射光束は、図２Ａのように受光部８Ｐを構成する４つのフォトダイオードａ〜ｄの中心部に集光する。図ではこの中心部に集光した光束を１３として示してある。このような状態にあるとき受光部８Ｐからの出力を受ける演算部１１は、各フォトダイオードａ〜ｄの出力に基づいて、
（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）・・・・・・・１式
の除算を実施する。光束１３は前記のように受光部８Ｐの中心部に集光しているから除算の結果は「０」となり、この「０」を出力して図１の駆動制御部１２に送り出す。しかし駆動制御部１２は「０」信号のため動作せず、対物レンズ５は静止したままで移動しない。それによって対物レンズ５の焦点位置と測定する物体６の表面位置は一致していて、両者間の距離は「０」と認識される。
図２Ｄはこの演算部１１からの出力状態を説明するもので、横軸は光学系対物レンズ５のＺ方向の位置を表し、縦軸は演算部１１の出力電圧を示している。受光部８Ｐの集光状態が図２Ａのような状態にあれば、演算部１１の演算結果は「０」であるから横軸と縦軸の交点位置１４が出力電圧となり、その結果、駆動制御部１２は動作しないままとなる。物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が何等かの理由によって図１の６ａのように光軸方向光源側に位置して焦点誤差を生じているとき、受光部８Ｐに結像する反射光束はシリンドリカルレンズ９の作用によって図２Ｂの様な右肩上がりの斜体１５となる。そのため受光部８Ｐを構成するフォトダイオードからの出力は（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）となる。従って演算部１１が実施する１式の演算結果はマイナスとなり、図２Ｄ上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に１式の結果を−４ｖとしたとき、その時の対物レンズ５位置１６を測定すると横軸のように−０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点１４位置とレンズ位置１６間のずれが図１の物体６観察面位置と対物レンズの焦点位置６ａのずれとなる。
こうして得られた−４ｖの信号が演算部１１から駆動制御部１２に伝えられると、駆動制御部１２は観察面位置が−０．４ｍｍ離れていると判断し、対物レンズ５を光軸上で光源側に移動させていく。この移動に伴って受光部８Ｐで受ける光束は次第に図２Ａの光束１３状態に近づき、位置１６が交点位置１４方向に徐々に近づいていく。そして最終的には図２Ａの基本光束１３状態となって駆動制御部１２からの信号も停止する。
【０００８】
一方、物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が、図１の６ｂの様に光源２から遠ざかる方向に位置して焦点誤差を生じる場合もある。そのときは受光部８Ｐに導かれ結像する物体表面からの反射光束は図２Ｃの様に左肩上がりの斜体１７となる。そのため受光部８Ｐで光電変換された出力は（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）となって、１式の演算結果はプラスとなり図２Ｄの縦軸を中心として右側での判定となる。仮に２式の演算結果が＋４ｖであったとすれば、その時の対物レンス位置を測定すると横軸のように＋０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点１４位置とレンズ位置１８間のずれが図１の物体６観察面位置と対物レンズの焦点位置６ｂのずれとなる。こうして得られた＋４ｖの信号が演算部１１から駆動制御部１２に伝えられると、駆動制御部１２は観察面位置が＋０．４ｍｍ離れていると判断し、対物レンズ５を光軸上で光源２から離れる方向に移動していく。この移動に伴って受光部８Ｐで受ける光束が次第に図２Ａの光束１３状態に近づくと、位置１８は交点位置１４方向に徐々に近づき、最終的には図２Ａの基本光束１３状態となって駆動制御部１２からの信号も停止する。
以上のように対物レンズ５の焦点位置と物体６の観察面の関係は、図２Ｄの様に位置１６、交点１４、位置１８を結ぶライン１９によって決定され、このライン１９上で対物レンズ５を光軸方向に移動させることになる。対物レンズ５をこのライン１９に沿って正確に移動させるためには物体表面からの反射光束が受光部８Ｐ上に結像したとき、光束１３、１５、１７のそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。
【０００９】
しかしながら通常の測定作業ではスペックル現象が発生し、距離の測定に影響を与えるようになる。例えば、対物レンズ５焦点位置と物体６測定面間の距離は１μｍ程度の範囲でピントを保つ関係にあるが、両者間の相対的な距離が近づけば近づくほど、つまり対物レンズ５の焦点位置と物体表面位置が一致してくるほどノイズとしてのスペックルが発生する。一般的にスペックルのパターンサイズは光源による物体表面上の照射面積に反比例し、測定面から対物レンズまでの距離に比例するとされている。そのためレーザ光源の照射面半径は数μｍ程度であるから、発生するスペックルパターンは大きくなりやすい。スペックルパターンが大きくなれば物体表面からの反射光識別に影響が生じるようになって、前記した図２の光束１３、１５、１７の明確な区別が困難となり、受光部８Ｐは焦点誤差のある出力を演算部１１に送り出してしまう。また対物レンズ５の倍率を高めると、光源による物体表面上の照射面積は小さくなるのでスペックルパターンは倍率に応じて大きなものとなってしまう。
このように測定精度を高めるため、レーザ光源のスポットを絞って光触針部となる照射面積を小さくすればするほどスペックルノイズは発生しやすくなり、対物レンズの焦点位置を物体表面に近づけてピント精度を高めれば高めるほどスペックルノイズは発生しやすくなる。また対物レンズの倍率を高めると高めるほどスペックルのノイズは発生しやすくなるというやっかいな状態にある。
【００１０】
図３はこのようなスペックルパターンが発生したときの受光部８Ｐ上の状態を示した説明図である。図においてＡは受光部８Ｐ上に物体６からの反射光束が焦点誤差もスペックルもない状態で結像した基本光束１３を示している。この様な基本状態にある時、受光部８Ｐからの出力は（ａ＋ｃ）＝（ｂ＋ｄ）であり、前記１式による除算結果は「０」となる。図のＢ〜Ｅはスペックルパターン２０が発生したときの幾つかの例を示したもので、Ｂは受光部８Ｐのａ部にスペックルパターン２０−１が発生し、その結果、図の右側に示したように光束１３のａ部に欠落が生じた光束１３ａとなり、（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）として認識されてしまう。そのため本来基本状態の光束１３として受光部８Ｐに結像したにもかかわらず、スペックルパターン２０−１によって演算部１１は図２Ｂの光束１５に類似したものと判断してしまう。Ｃは受光部８Ｐのａ、ｂ部に幾つかの小さなパターンが群２０−２として発生したもので、やはり光束１３として認識されるべきものが、ａ、ｂ部の一部が欠落した光束１３ｂとして認識されてしまう。しかしこの場合、演算部１１は（ａ＋ｃ）≒（ｂ＋ｄ）と判断するので対物レンズ５は移動しない。同じくＤはｂ、ｄ部にパターン２０−３が発生して、その結果図２Ｃの斜体１７に類似した光束１３ｃとされ、（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）と認識されて焦点誤差を起こしてしまう例である。Ｅはａ、ｂ、ｃ、ｄ部に小パターン群２０−４が発生し、その結果図２のＡ、Ｂ、Ｃに属さない中空形状の光束１３ｄとなってしまっている。このように幾つかの条件の積み重ねによってスペックルパターンが発生すると、ＢからＥに例示したものだけでなくその形状、サイズは様々に変化して安定せず、その明るさも複雑に変化してしまう。それらによって測定作業が複雑となって、その結果は信頼性の低いものとなる。
以上の説明は受光部８Ｐ上にスペックル２０が反射光束１３と共に映し出された状態を示したものとなっている。しかしＣＣＤで構成した図１の受光部８Ｃを光学系中に設置したときもスペックルは同じように発生するから、表示部１０でその像を観察するとき像自身が安定せず、図３Ｂ〜Ｅの光束１３ａ〜１３ｄの様な変化を繰り返したり、或いは一部が欠けた状態や光束の境目がぼやけた不鮮明な像となってしまう。従って受光部８Ｃ、８Ｐのいずれを光学系中に設置する場合も、この発生したスペックルを抑制し浄化することが重要となる。
【実施例１】
【００１１】
図４は実施例１の説明図である。図４において２１は半導体レーザ光源２に矩形波を与えて発光させる光源駆動部で、この光源駆動部２１からの信号２２を図５Ａに波形として示した。矩形波信号２２を受けて発光した光源２からの光束は、図１の測定光学系１と同じようにレンズ３、ビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て物体表面６を照射し、その反射光束は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、視野レンズ７を経て受光部８に結像する。このとき矩形波による光照射を受けた物体表面６上では、その反射光によってスペックルが発生するであろうが、その抑制についての詳細は後述する。受光部８は図１と同じようにフォトダイオード８ＰやＣＣＤ８Ｃで構成され、ＣＣＤ８Ｃが光学系中に設置されているときは、その受光信号が表示部１０に送られ物体表面の像を表示する。フォトダイオード８Ｐを受光部として光学系中に設置したときは、その出力が演算部１１、駆動制御部１２に伝えられ、対物レンズ５を光軸方向に移動させる。尚、この例では図１とは異なり、光学系１からシリンドリカルレンズ９を除外したものとしてあるが、フォトダイオード８Ｐを受光部として使用する時を考慮すれば予め光学系１中に設置して置く方が好ましい。
【００１２】
次に図５を用いて物体６表面上からの反射光によって発生するスペックルの抑制について説明する。スペックルは前記したように、物体表面上の不規則な各点から散乱される反射光が互いにランダムな位相をもって、幾つも重なり合った結果発生する干渉縞と考えられる。そのため本発明ではこの物体表面各点から散乱する反射光に注目し、光源２に矩形波を供給するようにして断続的な光束で物体表面を繰り返して照明するようにした。それによって物体表面上で時間毎に強制的な光量変化を起こさせ、その反射光を発生するであろうスペックルと共に受光部８で受けるようにした。そして受光部８では繰り返して受光する光量に応じて光電変換した信号を作り出し、その信号を平均化して表示部１０等に送り出すようにした。以下詳しく説明する。
【００１３】
図５Ａは前記のように光源２に供給される光源駆動部２１からの矩形波信号２２を示していて、図では２２−１から２２−４までの４つの信号を示してある。このような矩形波２２が連続して光源に与えられると、光源からの光束は断続的（点滅）に物体６表面を照明する。図Ｂはこの１つの矩形波２２−１による照明光によって受光部８が受ける光量の波形２３ａを示している。この光量波形２３ａは本来、矩形波２２−１の波形に沿って出力されるべきものであるが、正確には矩形波２２−１の波形とは微妙に変化した近似の波形となる。これはレーザ光の発光が立ち上がり時に光源発光部電気回路の時定数や温度変化などの影響を受けて安定しないためで、図Ｂではこれを説明するため矩形波２２−１をある時間ｔ１からｔ４に区切り、それを図Ｃの様に時間ｔ１のとき光量が０．９６、ｔ２のとき０．９５、ｔ３のとき０．９７、ｔ４のとき０．９９で発光したものとしてある。実際にはこれがどのような波形２３ａとして作り出されるかは予測することが出来ない。しかし図Ｃのように時間によって変化し、微少ではあるが強弱のある光量の照明となるであろう事は推測することが出来る。つまり断続光を与えることで光源発光立ち上がり時の不安定状態部分を常に利用することになるから、それがｔ１からｔ４のような時間の経過に応じて物体６表面を強弱を持つ光量で照明することになる。この図Ｂ、Ｃの例では４種の強弱のある光で物体表面を照明しているが、それによって受光部８が受ける光量は時間毎に
０．９６→０．９５→０．９７→０．９９ 
となり、それが光電変換されて表示部１０等に向かうことになる。そして結果として平均化された０．９６７の光量となる。
以上は１つの矩形波信号２２−１を時間ｔ１からｔ４に区切ったことによって生み出される光量変化であったが、矩形波信号は図５Ａのように２２−１に続いて２２−２、２２−３・・・が連続して光源駆動部２１から発信される。そのため各矩形波２２を光源２が受信する毎にその矩形波と近似した様々な形状の光量波形２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ・・・が発生し、その様々な波形によって強弱がつけられた幾種もの光束で物体表面が照明されるようになる。従って受光部８は１つ１つの矩形波２２毎にその波形が異なるであろう光量を受け、その光量波形２３に応じて時間ｔ毎の光量変化を順次光電変換して表示部１０等に送り出すことになる。
【００１４】
ところでスペックルの明るさや形状、発生する数、発生する位置などは光量の多少によって変化する。そのため１つの矩形波によって与えられる照明光が、前記例のように時間ｔ１からｔ４の間に４つの光量に変化するとすれば、単純にノイズとして発生するスペックルも４つに変化すると考えられる。
図６は時間ｔ１からｔ４のそれぞれに発生するであろうスペックルの発生状態を受光部８Ｃ上で表した説明図である。前述のようにスペックルが発生する位置や数は光量の多少によって変化するが、それがどのように変化するかは予測することが出来ない。そのためこの図６の例では便宜上スペックルの形状、大きさは一定なものとし、それによって損失する光量を１つ０．０１と仮定する。また受光部８Ｃに結像する物体からの反射光束１３光量は、スペックルが発生していなければその中心部が周辺部より多くなるであろうが、これも便宜上光束１３内の光量は均一なものとして説明する。そして更に図では説明を分かりやすくするため受光部８Ｃを４つの領域Ｆ１〜Ｆ４に分割し、各領域毎に発生したスペックルを異なる形状で表現してある。
図Ａは時間ｔ１のときの状態を示していて、受光部８Ｃには光束１３中に９つのスペックルＳ１〜Ｓ９がそれぞれ異なる位置に発生している。そのため前記図５Ｃの例と同様に受光部８Ｃが受ける当初の光量を０．９６とすれば
８Ｃ＝０．９６−（Ｓ１＋Ｓ２＋・・・Ｓ９）＝０．８７
となり、これがｔ１時スペックルＳの影響を受けた後の受光部８Ｃ出力となる。
時間ｔ２になると受光部８Ｃが受ける当初の光量は０．９５となり、発生するスペックルは図Ｂに示したようにＳ２、Ｓ１０〜Ｓ１６の８つとなり、その内の１つＳ２はｔ１時にＦ１領域に発生したものがそのまま継続して同じ位置に発生した状態となっている。またｔ１時に発生したＳ１、Ｓ３〜Ｓ９はこのｔ２では消えている。そのためこのｔ２では
８Ｃ＝０．９５−（Ｓ２＋Ｓ１０＋・・・Ｓ１６）＝０．８７
となる。時間ｔ３になると受光部８Ｃでは当初の光量が０．９７となり、図Ｃに示したようにｔ２時のスペックルＳ２とＳ１０〜Ｓ１６は消えて、新たにＳ１７〜Ｓ２６がそれぞれ別の位置に発生する。そのためこのｔ３では
８Ｃ＝０．９７−（Ｓ１７＋Ｓ１８＋・・・Ｓ２６）＝０．８８
が受光部８Ｃからの出力となる。 
時間ｔ４になると受光部８Ｃが受ける当初の光量は０．９９となり、ｔ３時のスペックルＳ１７〜Ｓ２６が消えて新たにｔ１〜ｔ３時に発生した位置とは異なる位置にＳ２７〜Ｓ３３が発生する。従ってｔ４時の受光部８Ｃからは
８Ｃ＝０．９９−（Ｓ２７＋・・・Ｓ３３）＝０．９２
が出力される。 
以上、スペックルの大きさ、形状、損失光量を一律とした例を図６に基づいて説明してきたが、光量が変化することによってスペックルの発生する位置、数、形状などは変化するから、時間ｔの経過に伴って発生したスペックルは互いに打ち消し合うような形で作用し、平均化されて出力されるようになる。即ち、１つの矩形波２２−１によって受光した受光部８Ｃからの出力はｔ１〜ｔ４までの平均値となるから
８Ｃ＝（０．８７＋０．８７＋０．８８＋０．９２）÷４
＝０．８８５ 
となる。この平均化によって物体表面上ではあたかもスペックルの発生が抑制され浄化されたかのようになり、受光部８Ｃ上ではノイズから解放されて反射光束１３とスペックルＳの光学的な識別が容易となる。
実際には１つ１つの矩形波による平均化だけでなく、表示部１０の動作周波数の違いによる平均化も加算される。これは例えば光源駆動部２１から光源２に供給される矩形波信号２２を１０ＫＨＺ程度とすれば、表示部１０の動作は通常１００ＨＺ以下であるから、図５のような矩形波２２を１００回受けたときにＣＣＤ８Ｃに蓄積された信号が１回表示部１０に伝えられることになる。従って物体表面６からの反射光によって発生するであろうスペックルは、光源２が１００回発光する毎に１回まとめられて平均化され、スペックル抑制を一層促進することになる。上記のことからスペックル抑制のための平均化は、まず図５Ｂで説明した１つ１つの光量波形２３同志によるものと、図６で説明した時間ｔの経過によるものと、前記した矩形波２２供給周波数に対する表示部１０の動作周波数差の３種によって実施されることとなる。
【００１５】
図７は図４で示した実施例１において、受光部８Ｃを８Ｐに切り替えたときの説明図である。この場合も光源２に矩形波を供給して断続的な光束で物体表面を繰り返して照明し、物体表面上で時間毎に強制的な光量変化を起こさせ、その反射光と発生するであろうスペックルを受光部８Ｐで受けるようにしている事は図４と同じである。図Ａの受光部８Ｐに結像した光束は、４分割フォトダイオードａ〜ｄからそれぞれアンプ２４を通過してフイルタ25に向かう。フイルタ２５を通過した信号２６は、図Ｂに示したような波形の信号となって絶対値回路２７に向かって絶対値２８が求められる。この絶対値信号２８は直流化回路２９に向かい、直流信号３０として出力され演算部１１に向かう。こうして受光部８Ｐが受光した断続光による物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろうスペックルの信号は、交流整合してノイズ除去が実施され、その絶対値が平均化された信号として演算部１１に送り出される。すると演算部１１は前記１式による除算を実施し、その結果を対物レンズ５の駆動制御部１２に伝える。今の場合、受光部８Ｐ上での光束が図２Ａの正規状態１３にあるとすれば、駆動制御部１２は動作せず対物レンズ５も移動しない。しかし受光部８Ｐ上での光束の結像状態が、図２Ｂ、Ｃの様な状態１５、１７であると判断されれば、駆動制御部１２が動作して対物レンズ５を所定の方向に所定量だけ移動させる。
【００１６】
図５で説明したように光源駆動部２１からの矩形波２２が光源２に供給されると、光源からの光束は断続的（点滅）に物体６表面を照明する。この照明光によって受光部８Ｐの１つのフォトダイオード、例えば８ａが受ける光量の波形を図５Ｂの２３ａとすれば、図５Ｃはそれを時間ｔ１からｔ４に区切ったときの光量となる。実際にはこの波形２３ａがどのような形になるかは前記の場合と同じように予測することが出来ない。しかし図５Ｃのように時間によって変化し、それが微少ではあるが強弱のある照明光を作り出すであろうから、受光部８Ｐａが受ける光量は時間毎に
０．９６→０．９５→０．９７→０．９９ 
となる。これが光電変換されてアンプ２４に送り出されフイルタ２５、絶対値回路２７、直流化回路２９を経て全体として平均化され、０．９６７の光量として演算部１１に伝達される。そして他のフォトダイオード８ｂ〜８ｄも時間ｔによって８Ｐａが受けた同じ強弱のある照明を受けるから、それぞれが光電変換されて同じように平均化され演算部１１に伝達される。演算部１１は４つのフォトダイオード８ａ〜８ｄからの信号を受けて前記１式の除算を実行し、その結果を駆動制御部１２に伝達する。
以上は１つの矩形波信号２２−１を時間ｔ１からｔ４に区切ったことによって生み出される光量変化であったが、矩形波信号２２は図５Ａのように連続して光源駆動部２１から発信される。そのため各矩形波２２を光源２が受信する毎にその矩形波と近似した様々な形状の光量波形２３ａ〜２３ｄ・・・が発生し、その様々な波形によって強弱がつけられた幾種もの光束で物体表面が照明されるようになる。従って受光部８Ｐの各フォトダイオード８ａ〜８ｄは１つ１つの矩形波毎にその波形が異なるであろう光量を受け、その光量波形に応じて時間ｔ毎の光量変化を順次光電変換して演算部１１に送り出していく。
【００１７】
１つの矩形波によって与えられる照明光が、前記のように時間ｔ１からｔ４の間に４つの光量に変化すれば、単純にノイズとして発生するスペックルも４つに変化すると考えられる。図８は時間ｔ１からｔ４のそれぞれに発生するであろうスペックルの発生状態を受光部８Ｐ上で表した説明図である。前述のようにスペックルが発生する位置や数は光量の多少によって変化するが、それがどのように変化するかは予測することが出来ない。そのためこの図８の例では図６と同様にスペックルの形状、大きさは一定なものとし、それによって損失する光量を１つ０．０１としてある。また受光部８に結像する反射光束１３の光量も便宜上光束１３内の光量は均一なものとしてある。図Ａは時間ｔ１のときの状態を示していて、光束１３中の受光部８Ｐａには３つのスペックルＳ１、Ｓ２、Ｓ３がそれぞれ異なる位置に発生している。そのため前記図５Ｃの例と同様に受光部８Ｐａが受ける当初の光量を０．９６とすれば  
８Ｐａ＝０．９６−（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）＝０．９３
となり、これがｔ１時スペックルＳの影響を受けた受光部８Ｐａの出力となる。同じようにｔ１時の受光部８Ｐｂには２つのスペックルＳ４、Ｓ５がそれぞれ異なる位置に発生しているので、受光部８Ｐｂが受ける当初の光量は８Ｐａと同じであるから
８Ｐｂ＝０．９６−（Ｓ４＋Ｓ５）＝０．９４ 
がスペックルＳの影響を受けた後の受光部８Ｐｂ出力となる。残りの受光部８Ｐｃ、８ＰｄにもスペックルＳ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９が異なる位置に発生していて、それぞれ光束１３に影響を与えている。
時間ｔ２になると図Ｂに示したように受光部８Ｐａでは当初の光量が０．９５になり、スペックルもＳ２とＳ１０の２つになる。その内の１つＳ２はｔ１時に発生したものがそのまま継続して同じ位置に発生しているが、ｔ１時に発生したＳ１、Ｓ３はこのｔ２では消えている。そのためこのｔ２では
８Ｐａ＝０．９５−（Ｓ２＋Ｓ１０）＝０．９３ 
となり、ｔ１時と同じ光量が出力される。受光部８Ｐｂでもｔ１時のＳ４、Ｓ５のスペックルは消え、新たに２つのスペックルＳ１１、Ｓ１２が別の位置に発生している。そのためこの受光部８Ｐｂが受ける当初の光量は８Ｐａと同じ０．９５であるから
８Ｐｂ＝０．９５−（Ｓ１１＋Ｓ１２）＝０．９３
が出力される。受光部８Ｐｃではｔ１時のＳ６、Ｓ７が消えるが新たにスペックルＳ１３が発生する。受光部８Ｐｄではｔ１時のスペックルＳ８、Ｓ９が消えるが、新たにＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１６が別の位置に発生する。
時間ｔ３になると図Ｃに示したように受光部８Ｐａでは当初の光量が０．９７になり、ｔ２時のＳ２とＳ１０は消えて新たにＳ１７、Ｓ１８、Ｓ１９が別の位置に発生する。そのためこのｔ３では
８Ｐａ＝０．９７−（Ｓ１７＋Ｓ１８＋Ｓ１９）＝０．９４
が出力される。受光部８Ｐｂでは２つのスペックルＳ２０、Ｓ２１がそれぞれ別の位置に発生したので
８Ｐｂ＝０．９７−（Ｓ２０＋Ｓ２１）＝０．９５
が出力される。受光部８Ｐｃと８Ｐｄでもｔ１、ｔ２時とは異なる位置にそれぞれ３つと２つのスペックルが発生している。時間ｔ４になると図Ｄに示したように受光部８Ｐａでは当初の光量が０．９９になり、ｔ３時のスペックルＳ１７〜Ｓ１９が消えて新たにｔ１〜ｔ３時に発生した位置とは異なる位置にＳ２７とＳ２８が発生する。従ってｔ４時の受光部８Ｐａからは
８Ｐａ＝０．９９−（Ｓ２７＋Ｓ２８）＝０．９７
が出力される。同じように受光部８Ｐｂでもｔ３時とは異なる位置に２つのスペックルが発生している。受光部８Ｐｃと８Ｐｄでもｔ３時のスペックルが消え、ｔ１〜ｔ３時とは異なる位置にそれぞれ別のスペックルが発生している。
以上、スペックルの大きさ、形状、損失光量を一律とした例を図８に基づいて説明してきたが、時間ｔの経過に伴って発生したスペックルは互いに打ち消し合うような形で作用し、平均化されて出力される。それによって１つの矩形波、例えば２２−１によって受光する１つのフォトダイオード８Ｐａからの出力はｔ１からｔ４までの平均値となるので
８Ｐａ＝（０．９３＋０．９３＋０．９４＋０．９７）÷４
≒０．９４ 
となる。８Ｐｂから８Ｐｄの出力も、それぞれ同じように平均化されて、その値が演算部１１に向かう。
【００１８】
図８Ｅは、図８Ａ〜Ｄを用いて説明したスペックルの発生状態に基づいて演算部１１が実施する前記１式の内容を示したものである。図において縦軸は時間ｔ１からｔ４を示し、横軸は１式の演算内容で、その４１で示した欄はフォトダイオード８Ｐａと８Ｐｃに発生したスペックルの数を示している。又４２の欄はフォトダイオード８Ｐｂと８Ｐｄに発生したスペックルの数を示していて、４３の欄は前記（４１＋４２）の結果である。
上述のように図８Ａ〜Ｄの様なスペックルが発生したとすれば、その結果は図Ｅのようになり前記１式の結果が０となって物体表面は対物レンズの焦点位置にあると判断される。それによって物体表面上ではあたかもスペックルの発生が抑制され浄化されたかのようになり、受光部８Ｐ全体ではノイズから解放されて反射光束１３の光学的な識別が容易となる。
以上の説明は図６も含めて図２Ａ、又は図３Ａのように受光部８上の反射光束が１３として示した基本光束に関するものであった。しかしスペックルは図２Ｂの光束１５、図２Ｃの光束１７の場合にも発生する。その場合も図６、図８で示したようなスペックルの発生状況に応じて受光部８は作用するから、基本光束１３と同じ環境での結果を得ることができる。
【００１９】
実際に５、８、１０ＫＨＺの３種を信号２２として別々に光源駆動部２１から光源２に与えて発光させ、図４のような光学系１を経て物体６表面を照明する実験を行った。この時の光源は７８０ｎｍの半導体レーザを使用した。そして受光部をＣＣＤ８Ｃとして設置し、パソコン画面を表示部１０として物体表面の反射光束状態が確認できるようにした。その結果画面上ではいずれの周波数のときもスペックルの発生は観察出来なかった。ごく僅かのスペックルは発生していると思われるが、対物レンズ５の倍率を１０倍、３０倍、５０倍に変換した場合も同様の結果であった。ただし、１つの矩形波２２は１０ＫＨＺのときで１００μｓと高速であり、しかもその内部をｔ１〜ｔ４に区切ったとすれば個々の現象は更に高速となるため、表示画面上でそれを視覚的に捉えることは出来ず、平均化された結果だけを表示部１０で確認することになった。
以上のことから受光部を８Ｃから８Ｐに切り替えても同様の結果が得られる事は明らかであり、それによって光源に矩形波を与えて物体表面を断続照明して光束に強弱をつけることはスペックル同志が互いに平均化されるように作用し、あたかもスペックルの発生を抑制したかのようになって、受光部上で反射光束１３を安定した状態で認識する上で有効である。
同じ装置を用いて光源２を直流で連続発光させる方式に変更して物体６を照明したところ、相当数のスペックルが観察出来た。そして発生したスペックルはその形状、サイズ、発生位置が殆ど変化しなかった。また直流値を１／２にして光量を減らして照明したところ画面全体が暗くなり、スペックルは減少して観察しにくくなったが、結像面上の光束１３自身もその輝度が低下して確認しにくくなってしまった。
以上のことから、従来実施されてきた光量の安定化ということを排除し、逆に光量の変化を利用するという事がスペックル抑制を図る上で効果的であり、又、直流で照明したときに室内にある蛍光灯などの外部光による影響を受ける傾向があったが、断続照明にしたことによって外部光による影響は殆ど解消することができた。
【実施例２】
【００２０】
図９は実施例２の説明図で実施例１を一部変形し、その測定光学系１中に第２の光学系３１を設置したものである。図Ａにおいて物体６からの反射光束は、実施例１と同じように対物レンズ５、ビームスプリッタ４を経て第２光学系３１を通過し、シリンドリカルレンズ９、視野レンズ７を経て受光部８に結像する。第２光学系３１は図Ｂに示したように第１レンズ３２、絞り３３、第２レンズ３４で構成され、絞り３３を通過した光束が第２レンズ３４からシリンドリカルレンズ９、視野レンズ７に向かっていく。Ｃ、Ｄ図は、物体６と反射光束の関係を示したもので、Ｃ図は物体６ｃが透明体の場合である。この場合、物体６ｃからの反射光束はその表面からの光束３５と、裏面（底面）での光束３６が発生し、その両方が対物レンズ５で捉えられて第２光学系３１を経て受光部８に進むことになる。そのため受光部８は、物体６ｃの表面と裏面からの２重の反射光束３５、３６によって基本光束１３の判断に複雑さが要求されてしまう。更にスペックルも表面と裏面の２箇所の反射面で発生するから、より困難な判断が求められてしまう。図９のＤ図は、測定機本体３７上にセットした薄片上の物体６ｄを透明なカバーガラス３８で覆った場合の例である。この場合も物体６ｄの表面からの反射光束３５とカバーガラス３８表面からの反射光束３６が生じてしまう。従って受光部８では図Ｃと同じ状態となってしまう。
このような二種の反射光束３５、３６によって生じる弊害を除去するため、この第２実施例では第２光学系３１を設置し、その内部に絞り３３を設けて不要な反射光束３６と、それに付随するスペックルをカットするようにした。図Ｂにおいて物体６ｃ、６ｄからの正規反射光束３５は、そのピントが合っていればビームスプリッタ４で反射された後、第１レンズ３２、絞り３３を通過して第２レンズ３４から視野レンズ７方向に進んでいく。しかしこのとき図Ｃの透明物体６ｃ裏面で発生した反射光束３６とスペックルは、光路長が変化することによって一旦第２光学系３１内の位置３８で結像する。その後、絞り３３方向に向かうが、そこを通過することが出来ずカットされてしまう。図Ｄのカバーガラス３８表面で発生した反射光束３６の場合も、一旦第２光学系３１内の結像位置３９に向かって進んで行くが、位置３９に達する以前に絞り３３でカットされてしまう。
上記のように第２光学系３１を測定光学系１中に設置し、その内部に絞り３３を設けることで物体６からの不要な反射光３６と、それに付随するスペックルをカットすることができる。但し、この作用は物体表面に対する対物レンズ５の焦点が一致しているときのものであり、ピントが一致していなければ必要な正規光束３５も絞り３３を通過することが出来ない。そのため対物レンズ５が光軸方向に移動してピント状況が良くなるにつれて絞り３３を通過する光が多くなり、受光部８が受ける像の鮮明度が向上する。尚、この絞り３３は物体６からの余分な反射光３６だけでなく、対物レンズ５や第２光学系３１、視野レンズ７を収容する鏡筒内部で発生する各種反射光のカットにも有効に作用する。
【００２１】
図１０は図９の補足説明図で、図２と同様に受光部８Ｐと演算部１１の関係を示すものである。図Ａにおいて横軸と縦軸、ライン１９、交点１４などは図２Ｄと同じである。そのため図９Ｃ、Ｄで物体６ｃ、６ｄ観察面からの正規反射光束３５を受ける対物レンズ５は、このライン１９に沿って移動し、交点１４上に位置したときピントが一致する。このピントが一致したときの受光部８Ｐ上の基本光束１３は、図１０Ｂの様に４つのフォトダイオードａ〜ｄの中心部に集光する。このような状態にあるとき図９Ｃの物体裏面からの反射光束３６、又は図Ｄのカバーガラス３８表面からの反射光束３６が発生していれば、この反射光束３６がピントを結ぶ位置はライン１９の位置１４に相当する横軸上の別の位置１４ａとなる。そしてこの位置１４ａを基点として不用反射光束３６用の第２ライン１９ａが作成される。作成されるライン１９ａのカーブは物体６ｃやカバーガラス３８の透過率や反射率によって変化し、交点１４と１４ａ間のずれ量は、物体６ｃやカバーガラス３８の厚さによって決定される。図１０Ｂでは交点１４に対物レンズ５が位置しているとき受光部８Ｐに得られる光束１３と、位置１４ａを基点として発生する反射光束３６によって受光部８Ｐに得られる光束１５が同時に投影されている状態を示している（但し、図９Ｄの時は図２Ｃの様に光束は１７となる）。
上記のように不要な反射光束３６が発生すると、図１０Ａのように２つのライン１９、１９ａによって管理されるかのようになり、それによって図１０Ｂの様に受光部８Ｐには光束１３と１５が同時に投影されてしまうことになる。そのため演算部１１は演算が混乱し、正確な結果を駆動制御部１２に伝えることが出来なくなる。
【００２２】
以上、実施例１、２に基づいて説明してきたが、光源２に供給する矩形波２２は鋸歯状波、正弦波と読み替えることが出来、本発明ではこれらをまとめて変調波と表現することとする。また測定光学系１は最も単純な形を例として示したが、用途に応じて種々変換できることは明らかである。更に受光部８Ｐは４分割だけでなく、２分割や８分割など測定に要求される精度に応じて選択することが出来る。この場合演算部１０で行われる前記した１式の演算は、分割数に応じたものに変更してやればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の一般的な測定装置光学系を示した説明図。
【図２】受光部と演算部の関係を示した説明図。
【図３】スペックルが発生したときの受光部上の状態を説明する図。
【図４】本発明の実施例１を説明する図。
【図５】光源に供給する矩形波信号と受光部が受光する光量の関係を示した説明図。
【図６】図４によるときのスペックル発生状態を説明する図。
【図７】実施例１を説明する第２の図。
【図８】図７によるときのスペックル発生状態を説明する図。
【図９】実施例２を説明する図。
【図１０】図９の補足説明図で、受光部と演算部の関係を示したもの。
【符号の説明】
【００２４】
１・・・測定光学系      ２・・・半導体レーザ光源      ３・・・レンズ      ４・・・ビームスプリッタ      ５・・・対物レンズ      ６・・・物体      ７・・・視野レンズ      ８・・・受光部      ９・・・シリンドリカルレンズ      １０・・・表示部      １１・・・演算部      １２・・・駆動制御部      １３・・・光束      １４・・・交点      １５・・・光束      １７・・・光束      １９・・・ライン      ２０・・・スペックルパターン      ２１・・・光源駆動部      ２２・・・矩形波信号      ２３・・・光量波形      ２４・・・アンプ      ２５・・・フイルタ      ２７・・・ピークホールド回路      ２９・・・直流化回路      ３１・・・第２光学系      ３２・・・第１レンズ      ３３・・・絞り      ３４・・・第２レンズ      ３５・・・表面反射光      ３６・・・裏面反射光      ３７・・・測定機本体      ３８・・・カバーガラス      Ｓ・・・スペックル
【図１】
2005157185.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005157185.tif 000008
【図７】
2005157185.tif 000009
【図８】
2005157185.tif 000010
【図９】
2005157185.tif 000011
【図１０】
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